CN111232086B - 一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置及方法，包括：电机、主动转轴、前端传动部分、中间传动部分、后端传动部分各至少一对；所述电机转动时时，带动主动转轴转动，所述主动转轴分别带动前端传动部分的前足前后运动，中间传动部分的中足左右运动；与前端传动部分的前足相连的前后足连接杆同步前后运动，带动后端传动部分的后足前后爬行，从而实现前进或后退的功能。该发明可以使用一个电机来实现机构的前进和后退功能，同时简化了驱动方案，不需要设置多组电机参数，减少偶然误差。
Description
技术领域
本发明属于在机械领域爬行机器人运动的技术领域，尤其涉及一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前，应用广泛的多足机器人多以多个电机驱动，电机布置在不同足的连接处，通过三角形支架结构模拟昆虫运动来实现交替爬行。其中，前足、后足、和另外一侧的部分足部为一组运动单元，通过控制各部分电机不同时刻的运行参数来达到前进的目的。
发明人在研究中发现，一般的运动方案都离不开较多电机的相互配合，整体设计由于需要承受驱动设备的原因而使得装置的质量和体积较大，机构自由度较多，造成操作以及调节设置上的不便，对于运动本身也带来偶然误差的不确定性。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置，采用单个电机驱动，电机控制主轴旋转从而带动其他机构的相对运动，轻化装置质量，解决了需要设置多组电机参数所造成的偶然误差问题。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置，包括：
电机、主动转轴、前端传动部分、中间传动部分、后端传动部分各至少一对；
所述电机转动时时，带动主动转轴转动，所述主动转轴分别带动后端传动部分的后足前后运动，中间传动部分的中足左右运动；与后端传动部分的后足相连的前后足连接杆同步前后运动，带动前端传动部分的后足前后爬行，从而实现前进或后退的功能。
进一步的技术方案，所述中间传动部分包括左右两中足、中间第一传动杆、中间第二传动杆和中间第三传动杆；
左右布置的中间第一传动杆下侧分别固连对应的中足，上侧分别通过转动副与中间第二传动杆连接在一起，一侧的中间第一传动杆下侧还经转动副与中间第三传动杆连接在一起，左右布置的中间第一传动杆经转动副均连接在固定架上，中间第三传动杆经转动副与主动转轴连接在一起。
进一步的技术方案，所述后端传动部分包括左右两后足、后端第一传动杆、后端第二传动杆和后端第三传动杆；
后端第一传动杆一侧固连于后足，另一侧通过转动副与后端第二传动杆和前后足连接杆连接在一起，后端第二传动杆经球铰链与后端第三传动杆连接在一起，后端第三传动杆经转动式移动副连接在主动转轴上；
后端第一传动杆和后端第二传动杆经转动副连接在固定架上。
进一步的技术方案，所述前端传动部分包括左右两前足和前端传动杆；左右两前足分别固连在各自的前端传动杆上，前端传动杆经两个转动副分别与前后足连接杆和固定架连接在一起。
进一步的技术方案，所述的爬行装置的电源和电机固定在固定架上，电机通过联轴器与主动转轴连接在一起。
进一步的技术方案，固定架整体呈矩形，其后端部分通过转动副和后端第一传动杆、后端第二传动杆相连，限定住后足的运动范围；
固定架中间部分通过中间第一传动杆与中间足相连，限定住中足的活动范围；
固定架前端通过转动副与前端传动杆相连，限制住前足的运动范围；固定架的正后方经转动副固定住主动转轴的一侧，主动转轴的另一侧经联轴器与电机相连，而电机通过支架固定在固定架下；通过固定架以及一系列的连杆，完成对爬行机构的定形。
进一步的技术方案，所述主动转轴一端与电机通过联轴器连接，在主动转轴偏前端和偏后端的位置处设置不同高度的曲拐，使得主动转轴在以一定角速度旋转时，不同曲拐处能获得相应的线速度，分别带动中间第三传动杆和后端第三传动杆的往复运动。
主动转轴的后端与固定架经转动副相连，使得机动部分能够在一定的范围之内运动。
进一步的技术方案，所述中间第三传动杆一侧经转动副与主动转轴的前端曲拐连接在一起，另一侧经转动副与中间第一传动杆连接在一起，主动转轴转动时，中间第一传动杆进行往复运动，带动一侧中足实现左右往复运动，中间第二传动杆连接左右两侧中足，进而使左右两侧中足实现同步运动。
进一步的技术方案，所述前足的运动由后足通过前后足连接杆带动，后端第三传动杆一侧经移动副与主动转轴后端曲拐连接，另一侧通过球铰链与后端第二传动杆连接，随着主动转轴的转动，后端第三传动杆球铰链连接处进行左右往复运动，后端第二传动杆为折形杆，该折形杆一侧经球铰链与后端第三传动杆连接，另一端经转动副与前后足连接杆和后端第一传动杆连接，折形杆中间经转动副连接在固定架上，折形杆球铰链处运动为左右往复运动，另一端为前后往复运动，进而带动前足以及前后足连接杆的前后运动；
前后足连接杆的另一侧通过转动副与前端传动连接在一起，通过前后足连接杆可以实现前后足的同步运动。
本申请还公开了一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置的运动方法，包括：
以电机端作为前端参考，主动转轴顺时针转动时，中间第三传动杆向外侧移动，带动中间第一传动杆顺时针转动，左侧中足向外侧摆动，并微微抬起，中间第二传动杆在中间第一传动杆的带动下向右侧移动，进而带动右侧中足向内侧移动，并微微下压；在右侧前足和后足与地面接触的情况下，右侧中足向内压，导致爬行装置左侧微微抬起；
与此同时，左侧后端第三传动杆在主动转轴的转动下向外侧移动，通过后端传动机构带动左侧后足向后方摆动，并通过左侧前后足连接杆将运动传递到前足，进而带动前足向后运动；
右侧的前足和后足的运动恰恰与左侧相反向前运动，但此时左侧抬起，右端接地，所以右侧前后足的向前运动，恰好提供了向后的抓地力，左侧的前后足将爬行机构向后移动；主动转轴继续转过一定角度后，右侧抬起，左侧接地，右侧前后足向后移动，左侧前后足提供抓地力；左右两侧交替抬起放下，前后足运动交替进行，进而实现该爬行装置后退；
反之，主动转轴逆时针转动，右侧抬起，左侧接地，右侧前后足向前运动，左侧前后足向后运动，给装置提供向前的抓地力；转过一定角度后，左侧抬起，右侧接地，左侧前后足向前移动，右侧提供向前抓地力，机构运动交替，进而实现该爬行装置前进。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
该发明可以使用一个电机来实现机构的前进和后退功能，同时简化了驱动方案，不需要设置多组电机参数，减少偶然误差。
在电机转动时，主动转轴转动，分别带动前、中传动轴使得前爬行足前后运动，中爬行足左右运动；与前爬行足相连的前后足连接杆同步前后运动，带动后爬行足前后爬行，从而实现机构前进或后退的功能。
该发明爬行装置可以在单个电机驱动的条件下通过机械结构实现较为复杂的爬行运动，该装置主体由弯曲不同程度的杆件构成，可以将单个电机驱动下的一根主动转轴的旋转运动转化为前后足连接杆的前后运动，再通过传动轴将运动传递给各个爬行足。通过控制单个电机的转速就可以控制机构前后不同速率的爬行。该装置可用于玩具领域，能带来可观的商业价值。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的装配示意图；
图2是本发明的后端第二传动杆；
图3是本发明的后端第三传动杆；
图4是本发明的后足和后端第一传动杆；
图5是本发明的主动转轴配合部分；
图6是本发明的中间传动部分；
图7是本发明前后端传动部分；
图中，1-前端传动部分，101-前足、102-前端传动杆；
2-中间传动部分，201-中足，202-中间第一传动杆，203-中间第二传动杆，204-中间第三传动杆；
3-后端传动部分，301-后足，302-后端第一传动杆，303-后端第二传动杆，304-后端第三传动杆；
4-前后足连接杆；5-固定架；6-主动转轴；7-电源，8-电机。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置，其特征在于：包括主动转轴(6)、固定架(5)、前后足连接杆(4)、前端传动部分(1)、中间传动部分(2)、后端传动部分(3)、电源(7)、电机(8)组成，如图1所示。
具体实施例子中，爬行装置中间传动部分(2)包括左右两中足(201)、中间第一传动杆(202)、中间第二传动杆(203)和中间第三传动杆(204)；中间第一传动杆(202)下侧固连中足(201)，上侧通过转动副与中间第二传动杆(203)连接在一起，中间第一传动杆(202)下侧还经转动副与中间第三传动杆(204)连接在一起，中间第一传动杆(202)经转动副连接在固定架(5)上，中间第三传动杆(204)经转动副与主动转轴(6)连接在一起。
中间第一传动杆(202)的数量为2个，中间第三传动杆(204)的数量为1个。
具体实施例子中，爬行装置的后端传动部分(3)包括左右两后足(301)、后端第一传动杆(302)、后端第二传动杆(303)(该杆件示意图见图2)和后端第三传动杆(304)(杆件示意图见图3)；后端第一传动杆(302)一侧固连于后足(301)，如图4所示，另一侧通过转动副与后端第二传动杆(303)和前后足连接杆(4)连接在一起，后端第二传动杆(303)经球铰链与后端第三传动杆(304)连接在一起，后端第三传动杆(304)经转动式移动副连接在主动转轴(6)上，即后端第三传动杆(304)既可以沿着主动转轴(6)移动，又可以绕着主动转轴(6)转动，此外，后端第一传动杆(302)和后端第二传动杆(303)经转动副连接在固定架(5)上。
后端第一传动杆(302)、后端第二传动杆(303)(该杆件示意图见图2)和后端第三传动杆(304)数量均为两个。
具体实施例子中，爬行装置的前端传动部分(1)包括左右两前足(101)和前端传动杆(102)；左右两前足(101)固连在前端传动杆(102)上，前端传动杆(102)经两个转动副分别与前后足连接杆(4)和固定架(5)连接在一起。
具体实施例子中，爬行装置的电源(7)和电机(8)固定在固定架(5)上，电机(8)通过联轴器与主动转轴(6)连接在一起。
从图1中可以看出，固定架(5)整体呈矩形，其后端部分通过转动副和后端第一传动杆(302)及后端第二传动杆(303)相连，限定住后足的运动范围；固定架中间部分通过中间第一传动杆(202)与中足(201)相连，限定住中足的活动范围；固定架前端通过转动副与前端传动杆(102)相连，限制住前足的运动范围；固定架的正后方经转动副固定住主动转轴(6)的一侧，主动转轴(6)的另一侧经联轴器与电机相连，而电机(8)通过支架固定在固定架下；通过固定架以及一系列的连杆，完成对爬行机构的定形。
实施例子二
一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置运动方法，所述的爬行装置各部分相互配合，具体可分解为三部分的运动：
1.电机(8)与主动转轴(6)的转动：如图5所示，主动转轴(6)一端与电机(8)通过联轴器连接，在主动转轴(6)偏前端和偏后端的位置处设置不同高度的曲拐，使得主动转轴在以一定角速度旋转时，不同曲拐处能获得相应的线速度，分别带动中间第三传动杆(204)和后端第三传动杆(304)的往复运动。主动转轴(6)的后端与固定架(5)经转动副相连，使得机动部分能够在一定的范围之内运动。曲拐的解释：主动转轴(6)以一定角速度旋转时，曲拐的不同位置处的旋转线速度不同，从而使得中间第三传动杆(204)和后端第三传动杆(304)能够以不同的速度往复运动。
2.爬行装置中足(201)的运动：如图6所示，中间第三传动杆(204)一侧经转动副与主动转轴的前端曲拐连接在一起，另一侧经转动副与中间第一传动杆(202)连接在一起，主动转轴(6)转动时，中间第一传动杆(202)进行往复运动，带动一侧中足实现左右往复运动，中间第二传动杆(203)连接左右两侧中足，进而使左右两侧中足实现同步运动。
3.爬行装置前后足及其连杆的运动：如图7所示，该爬行机构前足的运动由后足通过前后足连接杆(4)带动，爬行机构的后端第三传动杆(304)一侧经转动式移动副与主动转轴(6)后端曲拐连接，另一侧通过球铰链与后端第二传动杆(303)连接，随着主动转轴(6)的转动，后端第三传动杆(304)球铰链连接处进行左右往复运动，后端第二传动杆(303)为折形杆(杆件示意图见图2)，该折形杆一侧经球铰链与后端第三传动杆(304)连接，另一端经转动副与前后足连接杆(4)和后端第一传动杆(302)连接，折形杆中间经转动副连接在固定架(5)上，折形杆球铰链处运动为左右往复运动，另一端为前后往复运动，进而带动前后足连接杆(4)的前后运动；前后足连接杆(4)的另一侧通过转动副与前端传动杆(102)连接在一起，通过前后足连接杆(4)可以实现前后足的同步运动。
以电机端作为前端参考，爬行装置的主动转轴(6)自图1位置处逆时针转动时，中间第三传动杆(204)向外侧移动，带动中间第一传动杆(202)顺时针转动，图示左侧中足向外侧摆动，并微微抬起，中间第二传动杆(203)在中间第一传动杆(202)的带动下向右侧移动，进而带动右侧中足向内侧移动，并微微下压；在图示右侧前足和后足与地面接触的情况下，右侧中足向内压，导致爬行装置左侧微微抬起；与此同时，左侧后端第三传动杆(304)在主动转轴(6)的转动下向外侧移动，通过后端传动机构带动左侧后足向后方摆动，并通过左侧前后足连接杆(4)将运动传递到前足，进而带动前足向后运动；右侧的前足和后足的运动恰恰与左侧相反向前运动，但此时左侧抬起，右端接地，所以右侧前后足的向前运动，恰好提供了向后的抓地力，左侧的前后足将爬行机构向后移动；主动转轴(6)继续转过一定角度后，右侧抬起，左侧接地，右侧前后足向后移动，左侧前后足提供抓地力；左右两侧交替抬起放下，前后足运动交替进行，进而实现该爬行装置后退。
反之，从图示位置，主动转轴(6)顺时针转动，右侧抬起，左侧接地，右侧前后足向前运动，左侧前后足向后运动，给装置提供向前的抓地力；转过一定角度后，左侧抬起，右侧接地，左侧前后足向前移动，右侧提供向前抓地力，机构运动交替，进而实现该爬行装置前进。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置的运动方法，其特征是，包括：
主动转轴逆时针转动时，中间第三传动杆向外侧移动，带动中间第一传动杆顺时针转动，左侧中足向外侧摆动，并微微抬起，中间第二传动杆在中间第一传动杆的带动下向右侧移动，进而带动右侧中足向内侧移动，并微微下压；在右侧前足和后足与地面接触的情况下，右侧中足向内压，导致爬行装置左侧微微抬起；
与此同时，左侧后端第三传动杆在主动转轴的转动下向外侧移动，通过后端传动机构带动左侧后足向后方摆动，并通过左侧前后足连接杆将运动传递到前足，进而带动前足向后运动；
右侧的前足和后足的运动恰恰与左侧相反向前运动，但此时左侧抬起，右端接地，所以右侧前后足的向前运动，恰好提供了向后的抓地力，左侧的前后足将爬行机构向后移动；主动转轴继续转过一定角度后，右侧抬起，左侧接地，右侧前后足向后移动，左侧前后足提供抓地力；左右两侧交替抬起放下，前后足运动交替进行，进而实现该爬行装置后退；
反之，主动转轴顺时针转动，右侧抬起，左侧接地，右侧前后足向前运动，左侧前后足向后运动，给装置提供向前的抓地力；转过一定角度后，左侧抬起，右侧接地，左侧前后足向前移动，右侧提供向前抓地力，机构运动交替，进而实现该爬行装置前进。
2.一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置，采用如权利要求1中的运动方法，其特征是，包括：
电机、主动转轴、前端传动部分、中间传动部分、后端传动部分各至少一对；
所述电机转动时时，带动主动转轴转动，所述主动转轴分别带动后端传动部分的后足前后运动，中间传动部分的中足左右运动；与后端传动部分的后足相连的前后足连接杆同步前后运动，带动前端传动部分的前足前后爬行，从而实现前进或后退的功能；
所述后端传动部分包括左右两后足、后端第一传动杆、后端第二传动杆和后端第三传动杆；后端第一传动杆一侧固连于后足，另一侧通过转动副与后端第二传动杆和前后足连接杆连接在一起，后端第二传动杆经球铰链与后端第三传动杆连接在一起，后端第三传动杆经转动式移动副连接在主动转轴上；后端第一传动杆和后端第二传动杆经转动副连接在固定架上。
3.如权利要求2所述的一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置，其特征是，所述中间传动部分包括左右两中足、中间第一传动杆、中间第二传动杆和中间第三传动杆；
左右布置的中间第一传动杆下侧分别固连对应的中足，上侧分别通过转动副与中间第二传动杆连接在一起，一侧的中间第一传动杆下侧还经转动副与中间第三传动杆连接在一起，左右布置的中间第一传动杆经转动副均连接在固定架上，中间第三传动杆经转动副与主动转轴连接在一起。
4.如权利要求2所述的一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置，其特征是，所述前端传动部分包括左右两前足和前端传动杆；左右两前足分别固连在各自的前端传动杆上，前端传动杆经两个转动副分别与前后足连接杆和固定架连接在一起。
5.如权利要求2所述的一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置，其特征是，所述的爬行装置的电源和电机固定在固定架上，电机通过联轴器与主动转轴连接在一起。
6.如权利要求2所述的一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置，其特征是，固定架整体呈矩形，其后端部分通过转动副和后端第一传动杆、后端第二传动杆相连，限定住后足的运动范围；
固定架中间部分通过中间第一传动杆与中间足相连，限定住中足的活动范围；
固定架前端通过转动副与前端传动杆相连，限制住前足的运动范围；固定架的正后方经转动副固定住主动转轴的一侧，主动转轴的另一侧经联轴器与电机相连，而电机通过支架固定在固定架下；通过固定架以及一系列的连杆，完成对爬行机构的定形。
7.如权利要求2所述的一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置，其特征是，所述主动转轴一端与电机通过联轴器连接，在主动转轴偏前端和偏后端的位置处设置不同高度的曲拐，使得主动转轴在以一定角速度旋转时，不同曲拐处能获得相应的线速度，分别带动中间第三传动杆和后端第三传动杆的往复运动；
主动转轴的后端与固定架经转动副相连，使得机动部分能够在一定的范围之内运动。
8.如权利要求2所述的一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置，其特征是，所述中间第三传动杆一侧经转动副与主动转轴的前端曲拐连接在一起，另一侧经转动副与中间第一传动杆连接在一起，主动转轴转动时，中间第一传动杆进行往复运动，带动一侧中足实现左右往复运动，中间第二传动杆连接左右两侧中足，进而使左右两侧中足实现同步运动。
9.如权利要求2所述的一种基于单个电机驱动主动转轴的多足爬行装置，其特征是，所述前足的运动由后足通过前后足连接杆带动，后端第三传动杆一侧经转动式移动副与主动转轴后端曲拐连接，另一侧通过球铰链与后端第二传动杆连接，随着主动转轴的转动，后端第三传动杆球铰链连接处进行左右往复运动，后端第二传动杆为折形杆，该折形杆一侧经球铰链与后端第三传动杆连接，另一端经转动副与前后足连接杆和后端第一传动杆连接，折形杆中间经转动副连接在固定架上，折形杆球铰链处运动为左右往复运动，另一端为前后往复运动，进而前后足连接杆的前后运动；
前后足连接杆的另一侧通过转动副与前端传动连接在一起，通过前后足连接杆可以实现前后足的同步运动。
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